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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet werden.
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Stand der Technik
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Fluiddynamische Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Lagerstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Lagerstrukturen in Form von Rillenmustern als Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Lagerstrukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise sinusförmige, parabelförmige oder fischgrätartige Lagerstrukturen verwendet, die in an einer Fläche parallel zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind. Bei Axiallagern werden beispielsweise spiralförmige Lagerstrukturen verwendet, die in einer Ebene quer zur Rotationsachse angeordnet werden. Bei einem fluiddynamischen Lager eines Spindelmotors zum Antrieb von Festplattenlaufwerken ist meist eine Welle drehbar in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse gelagert. Die Welle hat einen Durchmesser von beispielsweise wenigen Millimetern.
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Die
DE 10 2009 029 925 A1 zeigt ein gattungsgemäßes fluiddynamisches Lagersystem mit geringer Bauhöhe nach dem Stand der Technik. Das Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse, die eine abgestufte zentrale Bohrung aufweist. In die Bohrung der Lagerbuchse ist eine abgestufte Welle eingesetzt, deren Durchmesser jeweils geringfügig kleiner ist, als der Durchmesser der entsprechenden Abschnitte der Bohrung. Zwischen den Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle verbleibt ein Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist und zwei aneinander angrenzende fluiddynamische Radiallager umfasst, mittels denen die Welle um eine Rotationsachse drehbar in der Bohrung der Lagerbuchse gelagert ist. Das dickere Ende der Welle ist als Stopperelement ausgebildet, welches das axiale Spiel der Welle begrenzt und insbesondere ein Herausfallen der Welle aus der Lagerbuchse verhindert. Die Radiallager sind in bekannter Weise durch Lagerstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle und/oder Lagerbuchse aufgebracht sind. Ein freies Ende der Welle ist mit einer Nabe verbunden, deren untere Fläche zusammen mit einer Stirnfläche der Lagerbuchse ein fluiddynamisches Axiallager ausbildet. Hierzu ist eine der Oberflächen des Axiallagers mit Lagerstrukturen versehen, die bei Rotation der Welle eine radial nach innen gerichtete Pumpwirkung auf das zwischen Nabe und Stirnseite der Lagerbuchse befindliche Lagerfluid ausübt, sodass das Axiallager tragfähig wird.
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Bei dem gezeigten Lagersystem hat das obere fluiddynamische Radiallager asymmetrisch ausgebildete Lagerrillen, die das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid nach unten in Richtung des unteren Radiallagers pumpen. Das untere Radiallager umfasst symmetrisch ausgebildete Radiallagerrillen, so dass das Lagerfluid in keine definierte Richtung gefördert wird. Durch diese Ausgestaltung der Radiallager besteht die Gefahr, dass durch Herstellungstoleranzen der Radiallagerrillen die Pumpwirkung in Richtung zwischen die beiden Radiallager zu gering wird, wobei der Druck im Abschnitt des Lagerspalts zwischen den Radiallagern zu gering wird bzw. ein Unterdruck entsteht. Dadurch beginnt die im Lagerfluid gelöste Luft auszugasen und bildet Luftbläschen im Lagerspalt, welche die Lagerfunktion und Lebensdauer des Lagers beinträchtigen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist, ein fluiddynamisches Lager, insbesondere für einen Spindelmotor zum Antrieb eines Speicherplattenlaufwerks, anzugeben, das eine große Steifigkeit und Stabilität bei hoher Zuverlässigkeit besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine feststehende Lagerbuchse und eine Welle, die in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse angeordnet und relativ zur Lagerbuchse um eine Rotationsachse drehbar ist. Die Lagerbuchse und die Welle bilden zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt. Die Welle umfasst mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei einander zugeordnete Lagerflächen eines zweiten Abschnitts der Weile und der Lagerbuchse ein erstes fluiddynamisches Radiallager mit Radiallagerrillen ausbilden und einander zugeordnete Lagerfläche eines dritten Abschnitts der Welle und der Lagerbuchse ein zweites fluiddynamisches Radiallager mit Radiallagerrillen ausbilden.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Radiallagerrillen des ersten und des zweiten Radiallagers asymmetrisch ausgebildet sind, wobei die Radiallagerrillen des ersten Radiallagers das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des zweiten Radiallagers fördern und die Radiallagerrillen des zweiten Radiallagers das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid überwiegend in Richtung des ersten Radiallagers fördern.
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Durch diese Maßnahmen ist sicher gestellt, dass das Lagerfluid immer in Richtung des Lagerinneren gepumpt wird, so dass sich insbesondere im Bereich des Lagerspaltes, der sich zwischen den Radiallagern befindet, kein Unterdruck bilden kann und somit eine Ausgasung von im Lagerfluid gelösten Luftbläschen vermieden wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser des dritten Abschnitts der Welle größer als der Durchmesser des zweiten Abschnitts der Welle, vorzugsweise mindestens um das 1,05-fache größer.
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Dadurch wird sowohl der Durchmesser als auch die Umfangsfläche des zweiten Radiallagers vergrößert, wodurch die Kippsteifigkeit des Lagers erheblich gesteigert werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft mit Lagern von geringer Bauhöhe, deren Lagerabstand relativ klein ist. Zur Kompensation der Nachteile des relativ kleinen Lagerabstands eines Lagers mit geringer Bauhöhe wird erfindungsgemäß der Durchmesser des zweiten Radiallagers vergrößert, so dass sich die Kippsteifigkeit verbessert.
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Dabei ist die axiale Länge des symmetrischen Teils der Lagerrillen des ersten Radiallagers größer oder gleich der axialen Länge des symmetrischen Teils der Lagerrillen des zweiten Radiallagers. Ferner ist die axiale Länge des asymmetrischen Teils der Radiallagerrillen des ersten Radiallagers deutlich größer als die axiale Länge des asymmetrischen Teils der Radiallagerrillen des zweiten Radiallagers, und zwar vorzugsweise zwei- bis viermal so groß.
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Das zweite Radiallager weist ferner eine größere Anzahl an Lagerrillen auf als das erste Radiallager. Ferner ist der radiale Lagerspalt im Bereich des zweiten Radiallagers größer als der radiale Lagerspalt im Bereich des ersten Radiallagers. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis aus dem radialen Lagerspalt und dem Durchmesser der Welle etwa 1 μm/mm, wobei dieses Verhältnis im Bereich des ersten Radiallagers kleiner ist als ebendieses Verhältnis im Bereich des zweiten Radiallagers.
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Ein weiterer Vorteil dieser Radiallager mit unterschiedlichen Durchmessern ist, dass im Falle eines Schocks auf das Lager die Stufe zwischen den beiden Radiallagern, welche durch die unterschiedlichen Durchmesser gebildet wird, beidseitig in einem sehr engen Radiallagerspalt des unteren und oberen Radiallagers mündet. Bei einem externen Schock auf das Lager wird das Lagerfluid im Bereich dieser Stufe zusammengepresst und muss nun durch die sehr engen Radiallagerspalte hindurch fließen, was eine sehr hohe Dämpfung der axialen Bewegung des Rotors bewirkt.
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Der erste Abschnitt der Welle ist mit einer Nabe verbunden, die an einer der Lagerbuchse zugewandten Seite eine ringförmige radial verlaufende Lagerfläche aufweist, welche durch einen Abschnitt des Lagerspaltes von einer auf einer Stirnfläche der Lagerbuchse angeordneten ringförmigen Lagerfläche getrennt ist und zusammen mit dieser ein Axiallager ausbildet.
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Das Axiallager umfasst Axiallagerstrukturen, die eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid in Richtung des Lagerinneren, also in Richtung der beiden Radiallager, erzeugt.
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Einen Druckausgleich im Lager sowie die Möglichkeit der Zirkulation des Lagerfluids im Lager wird durch einen in der Lagerbuchse verlaufenden Rezirkulationskanal unterstützt, der einen mit dem Abschnitt des Lagerspaltes verbundenen Spalt radial außerhalb des Axiallagers mit einem an den Abschnitt des Lagerspalts angrenzenden Spalt zwischen einem Ende der Welle und einer Abdeckplatte axial unterhalb des zweiten Radiallagers miteinander verbindet.
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Das erfindungsgemäße Lagersystem kann zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden, welcher eine Basisplatte zur Aufnahme der Lagerbuchse umfasst sowie ein elektromagnetisches Antriebssystem zum Drehantrieb eines mit der Welle verbundenen Rotors.
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Ein solcher Spindelmotor kann erfindungsgemäß in einem Festplattenlaufwerk zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte verwendet werden, wobei das Festplattenlaufwerk eine Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte umfasst.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezugnahme auf eine Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen Lagersystem.
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Das Lagersystem umfasst eine Welle 12, die drei Abschnitte 12a, 12b und 12c mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Ein erster Abschnitt 12a der Welle, der beispielsweise den geringsten Durchmesser aller Wellenabschnitte aufweist, ist mit einer Nabe 34 verbunden, die auf den Abschnitt 12a der Welle 12 aufgepresst ist. Die Abschnitte 12b und 12c der Welle 12 sind in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse 10 aufgenommen, wobei die Lagerbohrung entsprechend den Durchmessern der Wellenabschnitte 12b, 12c abgestuft ausgebildet ist. Die jeweiligen Abschnitte der Lagerbohrung sind im Durchmesser geringfügig größer als die Abschnitte 12b und 12c der Welle 12, so dass sich zwischen den Abschnitten 12b und 12c der Welle 12 und der Lagerbohrung entsprechende Abschnitte 14b und 14c eines Lagerspaltes 14 ergeben, der eine Spaltbreite von wenigen Mikrometern aufweist. Der Lagerspalt ist mit einem geeigneten Lagerfluid, z. B. einem Lageröl, gefüllt.
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Entlang des Abschnittes 14b des Lagerspaltes 14 ist ein erstes Radiallager 16 angeordnet, das durch Radiallagerrillen 16a gekennzeichnet ist.
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Entlang des anderen Abschnitts 14c des Lagerspaltes 14 ist ein zweites Radiallager 18 angeordnet, welches durch Radiallagerrillen 18a gekennzeichnet ist. Die Radiallagerrillen 16a, 18a der beiden Radiallager 16, 18 können auf der Oberfläche der Lagerbohrung und/oder der Oberfläche der Welle 12 angeordnet sein.
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Zwischen den beiden Radiallagern 16, 18 bilden die Welle und die Lagerbohrung eine Stufe aus, wobei sich im Bereich der Stufe ein radial verlaufender kurzer Abschnitt des Lagerspaltes 14 ergibt, der durch eine Auskehlung 20 in der Welle bzw. eine Rille 22 in der Lagerbohrung erweitert ist.
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Unterhalb des Abschnitts 14c der Welle ist die Lagerbohrung durch eine Abdeckplatte 28 luftdicht verschlossen.
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Angrenzend an das erste Radiallager 16 schließt sich ein weiterer ringförmiger Abschnitt 14a des Lagerspaltes an, der in radialer Richtung verläuft, wobei zwischen der Stirnseite der Lagerbuchse 10 und einer unteren Fläche der mit der Welle 12 verbundenen Nabe 34 ein Axiallager 24 gebildet ist.
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Das Axiallager 24 ist durch Axiallagerrillen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 10 oder der Oberfläche der Nabe 34 angeordnet sein können.
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Radial außerhalb des Axiallagers 24 weitet sich der Lagerspalt 14 geringfügig auf und knickt etwa um 90 Grad ab, wobei sich ein etwa parallel zur Rotationsachse 42 verlaufender, ringförmiger Dichtungsspalt 26 ergibt, der zwischen einem Außenumfang der Lagerbuchse 10 und einem Innenumfang eines Randes der Nabe 34 angeordnet ist.
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Dieser Dichtungsspalt 26 ist als konische Kapillardichtung ausgebildet und dichtet das offene Ende des Lagerspaltes 14 ab. Ferner dient dieser Dichtungsspalt 26 als Fluidreservoir für das Lagerfluid.
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Erfindungsgemäß sind die Radiallagerrillen 16a, 18a der beiden Radiallager 16, 18 asymmetrisch ausgebildet in Bezug auf eine Senkrechte der Rotationsachse 42 des Lagers.
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Das erste Radiallager 16 umfasst Lagerrillen 16a, deren Äste auf Seiten des ersten Abschnitts 12a der Welle länger ausgebildet sind als auf Seiten der Auskehlung 20. Dadurch ergibt sich eine gerichtete Pumpwirkung der Radiallagerrillen 16a in Richtung des zweiten Radiallagers 18. Das im Abschnitt 14b des Lagerspaltes befindliche Lagerfluid wird also in Richtung des Abschnitts 14c des Lagerspaltes gepumpt.
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In ähnlicher Weise umfasst das Radiallager 18 asymmetrische Radiallagerrillen 18a, deren Äste seitens der Abdeckplatte 28 länger ausgebildet sind als seitens der Auskehlung 20. Dadurch ergibt sich im Abschnitt 14c eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des ersten Radiallagers 16, also in Abschnitt 14b des Lagerspaltes. Der höchste Druck im Lager wird also im Bereich zwischen den Radiallagern 16, 18 im Lagerspalt erreicht, so dass in diesem Bereich des Lagers ein Unterdruck sicher vermieden wird.
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Das Axiallager 24 umfasst Axiallagerrillen, die das Lagerfluid radial nach innen in Richtung der beiden Radiallager 16, 18 pumpen, so dass sich auch hier eine Druckerhöhung im Lagerspalt 14 in Richtung des Lagerinneren ergibt. Im Bereich des Dichtungsspaltes 26 herrscht Umgebungsdruck, wobei der Druck im Lagerspalt durch die Pumpwirkungen des Axiallagers 24 und des Radiallagers 16 in Richtung des Lagerinneren kontinuierlich zunimmt.
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In der Lagerbuchse 10 ist ein Rezirkulationskanal 30 angeordnet, der einen Bereich des Lagers radial außerhalb des Axiallagers 24, also einen Bereich zwischen dem Axiallager 24 und dem Dichtungsspalt 26, direkt mit dem Bereich des Lagers zwischen der unteren Stirnseite der Welle 12 und der Abdeckplatte 28 verbindet.
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Da im Dichtungsspalt 26 Umgebungsdruck herrscht, wird durch die Verbindung über den Rezirkulationskanal 30 auch im Spalt zwischen der Welle 12 und der Abdeckplatte 28 Umgebungsdruck herrschen.
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Die Gefahr eines Unterdruckes in dem Innenbereich des Lagers ist also ebenfalls nicht gegeben.
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Vorzugsweise ist der Durchmesser des Abschnittes 12c der Welle mindestens 1,05-fach größer als der Durchmesser des Abschnitts 12b der Welle.
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Da das zweite Radiallager 18 auf einem größeren Durchmesser angeordnet ist als das erste Radiallager 16, ergibt sich eine sehr gute Lagersteifigkeit, auch wenn der Lagerabstand und die Bauhöhe des Lagers sehr gering sind.
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Dabei ist die axiale Länge des symmetrischen Teils der Lagerrillen 16a des ersten Radiallagers 16 größer oder gleich der axialen Länge des symmetrischen Teils der Lagerrillen 18a des zweiten Radiallagers 18. Vorzugsweise ist die axiale Länge des asymmetrischen Teils der Radiallagerrillen 16a des ersten Radiallagers 16 deutlich größer als die axiale Länge des asymmetrischen Teils der Radiallagerrillen 18a des zweiten Radiallagers 18, und zwar vorteilhafterweise zwei bis vier mal so groß.
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Das zweite Radiallager 18 weist ferner vorzugsweise eine größere Anzahl an Lagerrillen 18a auf als die Anzahl der Lagerrillen 16a des ersten Radiallagers 16. Ferner ist der radiale Lagerspalt im Bereich des zweiten Radiallagers 18 größer als der radiale Lagerspalt im Bereich des ersten Radiallagers 16. Vorteilhafterweise beträgt das Verhältnis aus dem radialen Lagerspalt und dem Durchmesser der Welle etwa 1 μm/mm, wobei dieses Verhältnis im Bereich des ersten Radiallagers 16 kleiner ist als ebendieses Verhältnis im Bereich des zweiten Radiallagers 18.
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Das Lagersystem bzw. die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 32 gehalten, die eine Befestigungsplattform für das Lagersystem und andere Komponenten des Spindelmotors darstellt. Die Basisplatte 32 trägt eine Statoranordnung 36, eines elektromagnetischen Antriebssystems.
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Radial gegenüberliegend der Statoranordnung 36 ist ein Rotormagnet 38 an einem inneren Rand der Nabe 34 angeordnet, wobei durch Bestromung des Stators 36 ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, das die Nabe 34 zusammen mit der Welle 12 in Drehung versetzt.
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Da das Lager lediglich über ein einziges Axiallager 24 verfügt, das eine Axiallagerkraft in eine Richtung (axial nach oben) erzeugt, muss eine entsprechende Vorspannung oder Kompensation vorhanden sein, um das Lager in einem axialen Gleichgewicht zu halten.
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Die Vorspannung wird magnetisch erzeugt mittels eines ferromagnetischen Zugrings 40, der unterhalb einer Stirnseite des Rotormagneten 38 angeordnet ist und vom Rotormagneten 38 magnetisch angezogen wird.
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Diese Anziehungskraft zwischen dem Rotormagneten 38 und dem ferromagnetischen Zugring 40 ist entgegen gesetzt zur Kraft des Axiallagers 24 gerichtet.
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Darüber hinaus ist der Rotormagnet aus seiner magnetischen Mitte in axialer Richtung nach oben relativ zur Statoranordnung versetzt angeordnet. Auch hierdurch wird eine zur Kraft des Axiallagers 24 entgegen gerichtete magnetische Kraft generiert, so dass sich insgesamt ein Kräftegleichgewicht ergibt, welches das Lager axial in Position hält.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 12a, b, c
- Wellenabschnitte
- 14
- Lagerspalt
- 14a, b, c
- Abschnitte des Lagerspalts
- 16
- Radiallager
- 16a
- Radiallagerrillen
- 18
- Radiallager
- 18a
- Radiallagerrillen
- 20
- Auskehlung
- 22
- Rille
- 24
- Axiallager
- 26
- Dichtungsspalt
- 28
- Abdeckplatte
- 30
- Rezirkulationskanal
- 32
- Basisplatte
- 34
- Nabe
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rotormagnet
- 40
- Zugring
- 42
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009029925 A1 [0003]
